鋰離子電池用負(fù)極材料Li4Ti5O12的制備及改性研究.pdf

1、鋰離子電池由于具有高比能量、高電壓、長循環(huán)壽命以及安全無毒等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、攝像機(jī)、電動工具及筆記本電腦等領(lǐng)域。近年來，隨著國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)一步拓寬鋰離子電池在電動汽車、可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用。眾所周知，電極材料的優(yōu)劣直接影響著鋰離子電池性能。作為新一代鋰離子電池負(fù)極材料，“零應(yīng)變”材料Li4Ti5O12具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高安全性，被認(rèn)為是最佳候選負(fù)極材料之一。但Li4Ti5O12低的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性影響了它在

2、高倍率充放電條件下的電化學(xué)性能，從而限制其在動力、儲能領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
　　 針對Li4Ti5O12材料高倍率性能差的固有缺陷，本文主要從高溫固相合成工藝，通過摻入活性碳及摻雜鎂離子對材料改性研究等方面入手，并結(jié)合X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)，能譜分析(EDS)以及恒流充放電、電化學(xué)交流阻抗(EIS)以及循環(huán)伏安(CV)等測試手段，研究Li4Ti5O12材料的物化性能和電化學(xué)性能。同時(shí)

3、，對高溫固相合成工藝進(jìn)一步優(yōu)化，為工業(yè)化生產(chǎn)Li4Ti5O12材料提供一種簡單經(jīng)濟(jì)的工藝技術(shù)參考。
　　 首先，對一步固相合成工藝進(jìn)行研究，通過正交試驗(yàn)考察了原料種類、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間以及鋰鈦摩爾比等工藝參數(shù)對Li4Ti5O12材料電性能的影響，結(jié)果表明，鋰鈦摩爾比為最顯著因素，優(yōu)化工藝條件如下:鈦源為微米級TiO2，鋰源為Li2CO3，Li/Ti(mol)=0.8，煅燒溫度900℃，煅燒時(shí)間12h。在此基礎(chǔ)上，研究了二步固相

4、合成工藝，即改進(jìn)的高溫固相合成工藝，依據(jù)差熱-熱重(DSC-TG)分析，該工藝合成Li4Ti5O12的過程是以中間相Li2TiO3為過渡相的高溫反應(yīng)歷程，同時(shí)對二步固相合成工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即650℃保溫8h，然后900℃保溫2h所制得樣品性能較佳，0.2C、3C、5C倍率下放電比容量分別達(dá)到165.4mAh/g、117.8mAh/g和98.1mAh/g，0.2C循環(huán)30次材料比容量衰減率僅為5.1％。實(shí)驗(yàn)證明二步固相合成工藝優(yōu)于一步固

5、相合成工藝。
　　 其次，以提高Li4Ti5O12材料導(dǎo)電性為目標(biāo)，分別在空氣氣氛下和保護(hù)氣氛下進(jìn)行碳改性研究，并考察保護(hù)氣氛下?lián)教剂繉Σ牧闲阅艿挠绊憽＝Y(jié)果表明，在空氣氣氛下?lián)饺胩?，可以有效地抑制顆粒的長大，在一定程度上改善了材料的倍率性能，5C倍率下，放電比容量為103.5mAh/g，為未改性材料的1.7倍;保護(hù)氣氛下當(dāng)摻碳量為6.0wt％時(shí)所得樣品高倍率性能較佳，10C倍率下首次放電比容量可達(dá)到106.5mAh/g，10C/

6、5C的比容量保持率為85.2％，10次循環(huán)后放比容量保有率為98.6％。
　　 最后，以Mg2+為摻雜源對Li4Ti5O12材料進(jìn)行改性研究，采用高溫固相反應(yīng)合成了負(fù)極材料Li4-xMgxTi5O12(x=0.0、0.12、0.2、0.3、0.5)。結(jié)果表明:當(dāng)摻雜量x=0.2時(shí)，所獲Li3.8Mg0.2Ti5O12材料電荷轉(zhuǎn)移阻抗值最小，倍率性能較佳，5C、10C倍率下首次放電比容量分別為108.0mAh/g、93.3mAh/